富水复杂地质双层初支拱盖法施工控制研究

王搏

摘要：分析工程水位地质探测情况，并对周边建筑物和管线提前采取保护措施。确定隧道超前预加固、初期支护、二次衬砌的结构参数。上部分岩体采用先开挖两侧导洞再开挖中间导洞，接着进行拱盖施工，以达到叠合支护的效果。针对下部岩体，利用下部围岩稳定性和承载能力，下部岩体从上至下进行放坡开挖，并及时施工侧墙初期支护。同时为保障隧道防水效果，利用综合台车施工柔性防水层，并重点处理施工缝、变形缝、接口地段等薄弱环节。研究结果表明，将双层初支拱盖法应用于富水复杂地质条件，能够有效保障隧道施工质量并保护地下泉水。

关键词：隧道工程；双层初支拱盖法；富水地层；岩体分部；开挖

0   引言

济南位于泰山背斜北翼的济南单斜构造区，城南地势高城北地势低。地表水由南向北通过溶沟、暗河等地下水网流动，到达城北不透水岩层受阻汇聚，在水平运动压力下变为垂直向上流动，地下水穿过地质层向上涌出地表形成天然涌泉。在此工程背景下建设地下轨道交通，必须认真考虑在富水复杂地质条件下的施工工法，以确保地下泉水得到有效保护。

已有研究成果中，彭勇波等[1]对地下水区域隧道暗挖采用帷幕注浆、地下水回灌等施工措施，有效保障了施工与周边建筑安全。胡文艺等[2]以风化花岗岩隧道工程为案例，阐述了地下水环境变化的隧道防水控制措施。何秋敏等[3]研究了砂层隧道拱顶塌方、地表沉陷等的超前加固措施。

本文在已有成果基础上[4-6]，提出在浆水泉路站暗挖段采用双层初支拱盖法，合理确定隧道结构参数，以辅助施工。针对上部分岩体，采用先开挖两侧导洞再开挖中间导洞。充分利用下部围岩的稳定性和承载能力，针对下部侧墙岩体按顺序从上至下进行放坡开挖。同时为保障隧道防水效果，利用综合台车施工柔性防水层，并重点处理施工缝、变形缝、接口地段等薄弱环节。

1   工程背景

济南轨道交通4号线是济南市东西方向U型骨干线，工程全线长40.2km，工程受富水、硬岩、溶洞、浅埋等不良地质条件限制，结合地下管线、地铁沿线道路、建筑物情况，本项目盾构区间采用土压平衡盾构模式。

车站采用暗挖法、盖挖法、明挖法等多种工法。为研究富水复杂地质双层初支拱盖法施工控制，本文以浆水泉路站为研究背景。该车站采用明挖法+矿山法施工，基坑尺寸255m（长）×19.7m（宽）×27.1m（深），结构形式为地下三层岛式站（局部地下二层）。本项目位于趵突泉等泉群南侧，为保泉核心区，浆水泉路站施工极易对泉水渗流路径、地下水位造成影响。

2   工程水文地质条件

浆水泉路站范围内揭露地层自上而下依次为素填土、杂填土、淤泥质土、粉细砂、硬塑状碎屑岩残积土层、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩等，如图1所示。地下水以碳酸盐岩裂隙岩溶水、岩浆岩裂隙水为主，可能存在第四系孔隙水，第四系孔隙水水位年变幅在2.0～3.0m，岩溶水水位年变化幅度5～8m。

浆水泉站周边建筑物情况如表1所示。车站影响管线信息如表2所示。从表1、表2可知，地铁站周边有较多建筑物，建筑物距离地铁基坑较近，务必对建筑物周边进行监测保护。同时地下管线较多，需要将穿越车站主体的地下管线改迁，完成这些工序后才能对车站进行施工[7-10]。分析认为，浆水泉路站地质岩层复杂，岩层呈现出多岩层散布情况，隧道开挖工程中，不均匀岩层容易引发隧道局部坍塌，加上富水地层地下水较快补充，容易造成坍塌区域形成泥水状态，严重影响施工安全。

3   工程施工合理化建议

浆水泉路站作业区主要包括浆水泉路站主体、附属部分等土建施工，该车站采用明挖法+矿山法施工。双层初支拱盖法是在双侧壁导坑法基础上，结合济南地质特点改进形成的一种暗挖施工工法，如图2所示。

双层初支拱盖法将隧洞岩体分为上下两个部分。针对上部分岩体，采用先开挖两侧导洞再开挖中间导洞，接着进行上部分岩体第一层初期喷射混凝土支护，第二层初期支护采用模筑混凝土，两层支护达到叠合支护的效果。针对下部岩体，则充分利用下部围岩的稳定性和承载能力，下部侧墙岩体按顺序从上至下进行放坡开挖，并及时施工侧墙初期支护。在拱脚下2m范围内，采用松动爆破或机械开挖等方式，确保拱脚岩石完整从而实现下半岩体的开挖。

4   浆水泉路站暗挖段主要参数设计

对浆水泉路站暗挖段主要参数进行设计，主要包括辅助措施（超前小导管、管棚），初期支护、拱盖支护。

4.1   辅助措施

φ42超前注浆小导管长度设为3.5m，环纵向间距设为0.4m×1.5m。φ159大管棚间距为0.4m。

4.2   初期支護

采用φ8钢筋网，间距为0.15m×0.15m，双层。系统锚杆采用φ25中空锚杆，长度为4m，环向间距为1m，纵向间距同格栅，梅花形布置。喷射混凝土采用C25早强混凝土，厚度为0.35m。格栅钢架间距为0.5m。

4.3   拱盖支护

C35、P10模筑钢筋混凝土厚度为0.8m。拱盖浆孔的布置应沿隧道起拱线以上布设。环向间距起拱线以上为2.0m，纵向间距为5.0m，呈梅花型布置。

5   车站暗挖段拱盖法施工流程及要点

5.1   施工流程

浆水泉路站车站施工采用明挖+暗挖组合工法，其中暗挖段里程为CK22+624.000～CK22+682.000，全长58m，车站主体地层主要为中风化石灰岩，为Ⅳ级围岩。

双层初支拱盖法将隧道轮廓分为上下两个部分岩体，上部分岩体细分为三个导洞。双层初支拱盖法在开挖过程中，需严格控制左中右导洞的步距，相邻导洞步距不得小于15m。左、右、中导洞按顺序，分别进行导洞开挖、混凝土喷射及格栅拱架架设、钢筋绑扎、混凝土喷射、导洞封闭，然后对上部分岩体进行拱盖施工，并拆除相邻封闭区域的临时支撑。采用分区域台阶法进行车站下部开挖，开挖步序按照从上至下分阶段对称开挖，开挖区域错开距离为10～15m。

5.2   施工要点

5.2.1   左、右侧导洞施工

沿隧道上部分岩体外侧轮廓进行超前小导管施工。按照设计参数施作超前小导管，使超前小导管布满上部分岩体整个外轮廓。将上部岩体分为面积大致相同的三部分导洞区域，先开挖左侧导洞岩体，如图3所示。开挖完成后，喷射40mm厚C25混凝土封闭左侧围岩，接着架设格栅拱架、临时钢拱架、绑扎钢筋、喷射混凝土，完成左侧导洞封闭。

按同样原理进行右侧导洞开挖，如图4所示，并进行右侧导洞的围岩封闭。施工开挖作业时，遵循相邻导洞错开不小于15m。

5.2.2   中间导洞施工

完成左右导洞封闭后，进行中间导洞开挖，如图5所示。中间土体开挖过程中，不得扰动左右两侧已施工完成的混凝土封闭。中部土体开挖完成进行喷射混凝土，接着进行架设格栅拱架、绑扎钢筋、喷射混凝土等必要工序，完成中间导洞封闭。

5.2.3   拱盖施工

拱盖施工区域为左、中、右导洞的顶部封闭区域，即沿3个导洞的隧道外轮廓区域的内部，导洞与导洞之间的相邻封闭区域不进行拱盖施作。完成设格栅拱架、绑扎钢筋、喷射混凝土等工序，待拱盖达到设计强度后，拆除导洞与导洞之间的相邻封闭区域的临时支撑。拱盖施工如图6所示。

5.2.4   车站下部岩体开挖

拆除导洞与导洞之间的相邻封闭区域的临时支撑，为隧道下部岩体开挖提供作业空间。本项目主要将下部岩体分为3层6个作业区域，分别是第四区域（4-1、4-2）、第五区域（5-1、5-2）、第六区域（6-1、6-2）。首先沿下部岩体的面层区域逐步往下开挖，顺序按照4-1、5-1、6-1放坡开挖进行，如图7所示。

完成下部岩体的中间土体开挖后，进行下部侧墙岩体开挖，并及时施工侧墙初期支护。开挖顺序按照4-2、5-2、6-2两侧对称向下进行，如图8所示。针对靠近隧道拱脚处的岩体，需要保证岩体完整性。在拱脚下2m范围内，采用松动爆破或机械开挖等方式。

5.2.5   优化混凝土自防水和柔性防水技术

对混凝土的自防水和柔性防水进行了施工技术优化，重点处理好施工缝、变形缝、接口地段等薄弱环节的整体性防水方案，利用综合台车施工柔性防水层，保证防水工程的质量。

6   结束语

本文基于工程水位地质探测情况，提出在浆水泉路站暗挖段采用双层初支拱盖法，以有效保障隧道施工质量并保护地下泉水。针对上部分岩体采用先开挖两侧导洞再开挖中间导洞和支护，然后对上部分岩体进行拱盖施工，并拆除相邻封闭区域的临时支撑。下部侧墙岩体按从上至下顺序进行放坡开挖，并及时做侧墙初期支护。在拱脚下2m范围内采用松动爆破或机械开挖等方式，確保拱脚岩石完整。为保障隧道防水效果，对混凝土的自防水和柔性防水技术进行优化，利用综合台车施作柔性防水层，并重点处理施工缝、变形缝、接口地段等薄弱环节的整体性防水方案，保证防水工程的质量。

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